MEMOIRE DE MAGISTER. Thème :

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1 MINISTERE DE L ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI DE TIZI-OUZOU Faculté de Génie Electrique et d Informatique Département d Electronique MEMOIRE DE MAGISTER Spécialité : Electronique Option : Microélectronique Présenté par M elle AMARA Karima Thème : Contribution à l étude de conception d une centrale photovoltaïque de puissance (1MW) interconnectée au réseau de distribution électrique moyenne tension. Devant le jury d examen : M.BELKAID Mohammed Said Professeur UMMTO Président M.MALEK Ali Directeur de Recherches CDER Alger Rapporteur M. me.menouer LAGHA Kahina Maître de Conférences (A). UMMTO Examinatrice M. me.hatem Djedjiga Maître de Conférences (B) UMMTO Examinatrice 2014/2015

2 Pour commencer, je voudrais bien remercier le jury de sa présence pour évaluer et participer à la conclusion de ce modeste travail. Je tiens à exprimer toute ma reconnaissance à mon Directeur de mémoire Monsieur MALEK Ali. Je le remercie de m avoir encadré, orienté, aidé et conseillé. Je tiens à remercier chaleureusement Mademoiselle HOCINE Dalila, qui m a aidé à réaliser ce travail de recherche. J adresse mes sincères remerciements à tous les professeurs, intervenants et toutes les personnes qui par leurs paroles, leurs écrits, leurs conseils et leurs critiques ont guidé mes réflexions et ont accepté à me rencontrer et répondre à mes questions durant mes recherches. Merci pour le temps qu ils ont bien voulu me consacrer et les aiguillages qu ils m ont apportés. À tous ces intervenants, je présente mes remerciements, mon respect et ma gratitude.

3 Introduction générale Introduction générale L énergie est l un des moteurs de développement des sociétés, elle est aussi le pilier de l économie moderne. Elle est l étincelle qui permet l accomplissement de toute activité humaine. Ses sources se sont diversifiées au cours du temps afin de satisfaire les besoins toujours en augmentation de l industrie et des consommateurs. L énergie solaire photovoltaïque provient de la transformation directe d une partie du rayonnement solaire en énergie électrique. Cette conversion d énergie s effectue par l ensemble de cellules dites photovoltaïques (PV), basée sur un phénomène physique appelé effet photovoltaïque, qui consiste à produire une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière (une énergie suffisante). La tension générée peut varier en fonction du matériau utilisé pour la fabrication de la cellule. L association de plusieurs cellules (PV) en série/parallèle donne lieu à un module photovoltaïque. Bien que l énergie photovoltaïque soit connue depuis de nombreuses années comme source pouvant produire de l énergie électrique allant de quelques milliwatts au mégawatt, elle reste encore à un stade peu connu et ne se développe pas encore dans de grandes proportions, notamment à cause des coûts trop élevés des capteurs. De plus, plusieurs problèmes techniques doivent être résolus pour amener ces systèmes à un degré de maturité suffisant pour en faire des produits industriels à part entière. Les problèmes concernent autant le matériau de conversion photovoltaïque, qui reste cher à synthétiser, que la chaine de conversion, qui présente beaucoup de pertes lors d une utilisation mal adaptée. Il existe d autres problèmes extérieurs comme la température, le site d implantation et le problème d ombrage. Plusieurs lois de commande spécifique ont été développées, permettant d optimiser la production d énergie photovoltaïque afin d assurer un meilleur rendement de conversion. C est dans ce cadre que se situe actuellement un marché pour une nouvelle forme de générateurs photovoltaïques raccordés au réseau, qui sont la préfiguration des centrales photovoltaïques de demain. En effet, les centrales PV raccordées au réseau permettent d éviter le problème de stockage par batteries qui sont, de plus, très chères pour l installation. Dans ce cas, les surplus de production sont injectés dans le réseau qui agit comme un réservoir d énergie. La diminution du coût des centrales photovoltaïques passe nécessairement par le choix d une technologie adéquate aux besoins de l utilisateur. Lorsqu on s équipe en énergie renouvelable, il est important de respecter un certain nombre d étapes. Ces dernières permettront, grâce à quelques calculs très simples, de dimensionner la source d énergie. Une installation d un système PV nécessite plusieurs étapes dont la première est d estimer la consommation d électricité et de déterminer à quel moment on en a besoin. Puis vient le chiffrage de l énergie solaire récupérable selon l emplacement et la situation géographique. Avec ces données, il sera alors possible de connaitre la quantité de modules photovoltaïque nécessaire, la quantité de batteries, le régulateur ainsi que l onduleur les mieux adaptés, et enfin le câblage adéquat. 1

4 Introduction générale Le dimensionnement des centrales PV est donc nécessaire avant tout projet photovoltaïque. Les centrales PV sont classées selon leur puissance : les microcentrales ayant une puissance inférieure à 1 MW et les grandes centrales (centrales diesel) avec une puissance supérieure à 1 MW. Dans ce travail, nous avons effectué le dimensionnement d une centrale PV d une puissance de 1 MW, interconnectée au réseau en utilisant le logiciel PVSYST (version 6.3.0) développé par l université de Genève. Pour mener à bien ce travail, notre mémoire comporte quatre chapitres : Le premier chapitre est une revue bibliographique sur les cellules et les modules photovoltaïques. Les différentes technologies utilisées sont également détaillées. Dans le deuxième chapitre, nous avons présenté un état de l art sur les centrales photovoltaïques en détaillant leurs composantes. Les critères de choix d une centrale PV sont également présentés. Dans le troisième chapitre, nous avons rappelé quelques données de base concernant le rayonnement solaire nécessaire à l étude de systèmes PV. Nous avons ensuite présenté le logiciel PVSYST que nous avons utilisé pour le dimensionnement de la centrale PV raccordée au réseau, et détaillé les différentes pertes dans le système PV. Dans le quatrième chapitre, nous présentons les résultats que nous avons obtenus lors de la simulation d une centrale PV de puissance 1 MW, interconnectée au réseau. 2

5 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque I. Introduction Dans ce chapitre nous décrivons en premier lieu le principe de fonctionnement des cellules solaires ainsi que leurs caractéristiques principales. Dans la deuxième partie nous étudions les différentes technologies des cellules solaires ainsi que la mise en œuvre des modules photovoltaïques. II. Le principe de l effet photovoltaïque C est un phénomène physique qui consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier entre 0.3 V et 0.7 V en fonction du matériau utilisé et de sa disposition ainsi que de la température et de vieillissement de la cellule. III. La cellule photovoltaïque III.1.Définition d une cellule solaire La cellule PV ou encore photopile est le plus petit élément d une installation photovoltaïque. Elle est composée de matériau semi-conducteur et transforme directement l énergie lumineuse en énergie électrique. Les cellules photovoltaïques sont constituées : D une fine couche semi-conductrice (matériau possède une bande interdite, qui joue le rôle de la barrière d énergie que les électrons ne peuvent franchir sans une excitation extérieure, et dont il est possible de faire varier les propriétés électroniques) tel que le silicium, qui est un matériau présentant une conductivité électrique relativement bonne. D une couche antireflet permettant une pénétration maximale des rayons solaires. D une grille conductrice sur le dessus ou cathode et d un métal conducteur sur le dessous ou anode. Les plus récentes possèdent même une nouvelle combinaison de multicouches réfléchissants justes en dessous du semi-conducteur, permettant à la lumière de rebondir plus longtemps dans celui-ci pour améliorer le rendement. III.2. Le principe de fonctionnement d une cellule solaire Une cellule photovoltaïque est un dispositif qui permet de transformer l énergie solaire en énergie électrique. Cette transformation est basée sur les trois mécanismes suivants : Absorption des photons (dont l énergie est supérieure au gap) par le matériau constituant le dispositif ; Conversion de l énergie du photon en énergie électrique, ce qui correspond à la création des paires électron/trou dans le matériau semi-conducteur ; Collecte des particules générées dans le dispositif ; Le matériau constituant la cellule photovoltaïque doit donc posséder deux niveaux d énergie et être assez conducteur pour permettre l écoulement du courant d où l intérêt des semi-conducteurs pour l industrie photovoltaïque. Afin de collecter les particules générées, un champ électrique permettant de dissocier les paires électron/trou créés est nécessaire. Pour 1

6 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque cela on utilise le plus souvent une jonction P-N. d autres structures, comme les hétérojonctions et les Schottky sont également être utilisées. Le fonctionnement des cellules photovoltaïques est illustré sur la figure I.1. Figure I.1 : structure (gauche) et diagramme de bande (droite) d une cellule photovoltaïque. Les dimensions respectives de différentes zones ne sont pas respectées. Les photons incidents créent des porteurs dans les zones N et P et dans la zone de charge d espace. Les photo-porteurs auront un comportement différent suivant la région : Dans la zone N ou P, les porteurs minoritaires qui atteignent la zone de charge d espace, sont envoyés par le champ électrique dans la zone P (pour les trous) ou dans la zone N (pour les électrons) ou ils seront majoritaires. On aura un photo-courant de diffusion. Dans la zone de charge d espace, les paires électron/trou crées par les photons incidents sont dissociés par le champ électrique : les électrons vont aller vers la région N, les trous vers la région P. on aura un photo-courant de génération [21]. III.3.Schéma électrique d'une cellule photovoltaïque Le schéma du circuit équivalent d'une cellule photovoltaïque qu'est largement utilisé dans la littérature est représenté sur la figure I.2. 2

7 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque Figure I.2 : Schéma électrique du modèle équivalent à deux diodes d'une cellule photovoltaïque [1] Comme le montre le schéma de la figure une photopile comporte en réalité une résistance série (Rs) et une résistance de dérivation ou shunt (Rp). Ces résistances auront une certaine influence sur la caractéristique (Ipv-Vp) de la photopile. A. La résistance série En pratique, la cellule PV, contient des résistances dans le matériel qui constitue des semi-conducteurs, et contacts, et autobus courant de rassemblement. L'ensemble des pertes dépend, de la résistance série (Rs). Son effet devient très remarquable en module composé de plusieurs cellules connectées en série, la valeur de cette résistance est multipliée par le nombre de cellules [3]. B. Résistance parallèle Également, la résistance shunt, représente une partie des pertes liées à une petite fuite de courant par un chemin résistif parallèlement au dispositif intrinsèque. Ceci peut être représenté par une résistance parallèle (Rp). Son effet est beaucoup moins remarquable dans un module photovoltaïque comparé à la résistance série. Qui devient seulement apparent quand un certain nombre de cellules sont reliées en parallèle pour créer un générateur photovoltaïque [3]. D après la figure I.2 : l'équation mathématique (courant -tension) du circuit électrique équivalent de la cellule photovoltaïque est écrite comme suit [1]. I = I I. exp.. 1 I. exp.....(i.1) Il est possible de combiner entre les deux diodes (d1, d2), e t la réécriture de l'équation précédente sous la forme suivante: 3

8 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque I I I I..(I.2) Iph=Icc ( ) : photo-courant de cellule, proportionnel à l éclairement (G). Ce courant correspond également au courant de court-circuit [2]. I = I. exp(. ) 1..(I.3) I =...(I.4) I = I I. exp(. ) 1...(I.5) Vt=n.K.T/q : représente le potentiel thermodynamique. Id : courant direct de la diode [4]. Isat : le courant de saturation de la jonction. K : la constante de Boltzmann (1, Joules/Kelvin). T : la température de la cellule en kelvin. q: la charge d'un électron. Ipv : le courant fourni par la cellule. Vp : la tension aux bornes de la cellule. Icc : le courant de court-circuit. Vco : la tension du circuit-ouvert. Rp : la résistance modélisant les courants de fuites de la jonction. Rs : la résistance série caractérisant les diverses résistance de contacts et de connexions. n: "facteur d'ideality" ; prend une valeur entre (1 et 2) [3]. III.4.Caractéristiques d'une cellule photovoltaïque Il existe de nombreux paramètres qui permettent de caractériser une cellule solaire. Ces paramètres sont appelés paramètres photovoltaïques et sont déduits de la caractéristique I(V). La figure I.3 représente une caractéristique courant-tension I(V) dans le noir et sous illumination typique d une cellule photovoltaïque à jonction PN. Le tracé de cette courbe permet d accéder à bon nombre de paramètres physiques caractéristiques du composant. Les premiers paramètres qui apparaissent sur la caractéristique courant-tension d une cellule photovoltaïque sont le courant de court circuit ( Icc), la tension à circuit ouvert ( Vco) et le facteur de forme FF du composant. 4

9 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque Figure I.3 : Caractéristique courant-tension et paramètres physiques d'une cellule A. Le courant de court-circuit (Icc) photovoltaïque. Il s agit du courant lorsque le potentiel appliqué à la cellule est nul. C est le plus grand courant que la cellule peut fournir. Celui-ci est en fonction de la température, de la longueur d onde du rayonnement, de la surface activé de la cellule, de la mobilité des porteurs. Ce courant est linéairement dépend de l intensité lumineuse reçue [9]. B. Tension du circuit-ouvert (Vco) Comme son nom indique, c est la tension aux bornes de la cellule lorsqu elle n est pas connectée à une charge ou lorsqu elle est connectée à une charge de résistance infinie. Elle dépend essentiellement du type de cellule solaire (jonction PN, jonction Schottky), des matériaux de la couche active et de la nature des contacts de la couche active-électrode. Elle dépend de plus de l éclairement de la cellule [46]. Avec : V = log + 1..(I.6) KTc/q : représentant le potentiel thermodynamique. K : la constante de Boltzmann (1, Joules/Kelvin). q: la charge d'un électron. Tc : la température absolue. Is : le courant de saturation. Iph : le courant photonique Deux régimes peuvent être observés suivant le degré d éclairement figure I.4. Régime des faibles flux lumineux : dans ce cas, Iph Is, ce qui permet d écrire : 5

10 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque log I I + 1 = I I D où :.. (I.7) C est la zone de comportement linéaire de la cellule.la formule précédente peut s écrire aussi [9] : V = R. I en posant R.. (I.8) R0 : est la résistance interne de la diode en polarisation externe nulle (circuit ouvert) est sous faible flux lumineux. Régime des flux lumineux suffisamment intenses pour que Iph Is, soit [9] : 1. D où : (I.9) V = KT q log I I C est le domaine du comportement logarithmique (figure I.4) : Figure I.4 : différents régimes selon la puissance d éclairement. Il est important de remarquer que cette tension augmente avec le log d Iph, donc avec le log de l illumination. En revanche, elle décroit avec la température, malgré le terme KTc/q. 6

11 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque en effet, le courant de saturation, Is dépend de la surface de la diode (donc de la cellule) et des caractéristiques de la jonction : il varie exponentiellement avec la température et cette dépendance en température compense largement le terme KTc/q. donc la tension de circuit ouvert Vco baisse avec la température, ce qui est important dans le dimensionnement des systèmes. C. Le Facteur de forme : Un paramètre important souvent utilisé à partir de la caractéristique I(V) pour qualifier la qualité d une cellule ou d un générateur PV : c est le facteur de remplissage ou «fill factor (FF)». Ce coefficient représente le rapport entre la puissance maximale que peut délivrer la cellule notée Pmax et la puissance formée par le rectangle Icc*Vco. Plus la valeur de ce facteur sera grande, plus la puissance exploitable ne le sera également. Les meilleures cellules auront donc fait l objet de compromis technologiques pour atteindre le plus possible les caractéristiques idéales [46]. Il est défini par la relation suivante : =. I.10 La puissance des modules photovoltaïque s'exprime en Watts-Crète. Cette dernière représente la puissance qui peut fournir un module lorsqu'il est fermé sur sa charge nominale (optimale), sous un éclairement de 1000W/m 2 et à une température de 25 0 C. D. Le rendement Le rendement ƞ des cellules PV désigne le rendement en puissance. Il est défini comme étant le rapport entre la puissance maximale délivrée par la cellule et la puissance lumineuse incidente Pin : ƞ = =.. I.11 Ce rendement peut être amélioré en augmentant le facteur de forme, le courant de court-circuit et la tension à circuit ouvert. Le rendement de conversion est un paramètre essentiel. En effet, la seule connaissance de sa valeur permet d évaluer les performances de la cellule. IV. Structure des cellules solaires Une cellule photovoltaïque, en présence de lumière, ou plus exactement de photons, est capable d'orienter les électrons de façon à créer une différence de potentiel et ainsi de générer une tension électrique (énergie voltaïque). La couche supérieure de la cellule photovoltaïque est composée de silicium (figure I.5). Elle contient une quantité particulièrement importante d'électrons libres, donnant une charge négative. La couche inférieure, elle aussi composée de silicium, contient une quantité d'électrons libres inférieure à la normale, donnant ainsi une charge positive. C'est lorsque les deux couches entrent en contact qu'une zone de charge se crée et génère un champ électrique. Les cellules photovoltaïques sont composées d un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs et permettent la conversion directe de l énergie solaire en énergie électrique. 7

12 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque Figure I.5 : Structure d une cellule photovoltaïque : 1) Electrode négative. 2) Electrode positive. 3) silicium dopé N. 4) Silicium dopé P. 5) Couche limite. Pour provoquer cet effet photoélectrique, le matériau semi-conducteur doit être «dopé». Du fait de l apport d éléments chimiques, deux couches se forment, une couche conductrice p avec un excédent de porteurs de charge positifs et une couche conductrice n avec un excédent de porteurs de charge négatifs. Du fait de ce déséquilibre, un champ électrique interne se forme et provoque une séparation de charge en cas d incidence de la lumière. Les porteurs de charge ainsi libérés peuvent être évacués par des contacts métalliques et utilisés directement comme courant continu (DC) par un appareil électrique ou être alimentés dans le réseau comme courant alternatif (AC) via un convertisseur intercalé. Pour les capacités plus élevées, les cellules photovoltaïques sont la plupart du temps interconnectées au module. Pour la fabrication de cellules photovoltaïques, on utilise actuellement avant tout du silicium, car c est le second élément le plus courant sur terre et donc bon marché à valoriser. En plus du silicium, d autres éléments, comme le cuivre, le gallium ou le cadmium, trouvent leur utilisation dans le photovoltaïque. V. Les filières technologiques d'une cellule photovoltaïque Une cellule photovoltaïque peut être réalisée avec de nombreux semi-conducteurs. En réalité, il existe aujourd hui deux principales filières technologiques: le silicium cristallin, les 8

13 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque couches minces. Ces filières se partagent inégalement le marché comme le montre la figure I.6. Figure I.6 : Évolution de la production mondiale des différentes technologies de cellules PV [11] Ces technologies coexistent sur le marché dans des proportions équivalentes depuis de nombreuses années malgré des prix et des rendements très différents. L'augmentation des rendements focalise particulièrement l'intérêt des chercheurs. V.1. Le silicium La filière silicium représente aujourd hui l'essentiel de la production mondiale des panneaux photovoltaïques. Il s'agit d'un matériau extrêmement abondant, stable et non toxique. Cette filière est elle-même subdivisée en plusieurs technologies distinctes de part la nature du silicium employé et /ou sa méthode de fabrication. Cette filière comporte trois technologies: le silicium monocristallin et le silicium multicristallin, silicium amorphe [11]. V.1.1. Silicium monocristallin Lors du refroidissement, le silicium se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme, intense et brillant. Elles sont utilisées, mais ne sont pas majoritaires sur le marché de l'énergie photovoltaïque. Le rendement du silicium monocristallin est plus élevé, il est compris entre 12 et 20% [9] pour les cellules industrielles. Son coût élevé est aujourd hui un handicap et le silicium monocristallin perd du terrain devant le silicium multicristallin. 9

14 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque V.1.2. Le silicium multicritallin Le silicium multicritallin (polycristallin) est devenu aujourd hui la technologie la plus utilisée (figure I.7). A elle seule elle représente près de 50% du marché [9]. Ces cellules sont obtenues par couplage de cristaux de silicium, ce qui rend sa structure hétérogène, son rendement est légèrement inférieur au silicium monocristallin, il est compris entre 10 et 14% selon les fabricants [9]. En revanche sa fabrication est beaucoup plus simple, les coûts de production sont donc plus faibles. Figure I.7 : Photos de cellules monocristallin(a) et multicristallin (b). V.1.3.Le silicium amorphe Le silicium intégré dans les cellules a-si n a pas fait l objet d une cristallisation. Ses atomes sont donc agencés sans réelle organisation, ce qui leur permet de mieux capter la lumière (par rapport au silicium cristallin). Problème : les charges générées ont plus de difficultés pour se déplacer à cause de la désorganisation de la matière, ce qui se traduit par un mauvais coefficient de conversion. Par conséquent, leur rendement est faible. La désorganisation atomique a d autres conséquences : les électrons de valence des atomes de Si ne forment pas toujours des liaisons covalentes au sein du semi-conducteur. Il apparaît alors des liaisons pendantes qui peuvent agir sur les propriétés électroniques du matériau. Pour limiter ce phénomène, les couches de silicium sont régulièrement passivées avec de l hydrogène (a -Si:H). Des atomes d hydrogène établissent des liaisons avec les électrons restés libres, et réduisent ainsi le nombre de liaisons pendantes. V.2.Les couches minces Le principal frein au développement du photovoltaïque à très grande échelle reste encore aujourd hui. Malgré la baisse de ces dernières années, le pris trop élevé du kilo Watt crête KWc. Le kilo Watt crête (KWc) est l'unité qui défini la puissance d'un génér ateur PV aux conditions de test standards (1000W.m -2 et 25 C). 10

15 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque La majorité du prix d'un générateur photovoltaïque provient du silicium et du procédé de purification. Plusieurs types de cellules photovoltaïques visant à diminuer la qualité de matière nécessaire à leur fabrication sont aujourd hui développés et commencent à être industrialisés. Ces technologies appelées couches minces font appel à des procédés de fabrication (dépôt sur ruban) visant la diminution de l'épaisseur des cellules. La technologie à couche mince dont la plus mûre est celle du silicium amorphe (a-si) représentait en 2008 plus de 7% du marché mondial [9]. L avantage de cette technique est l'utilisation des substrats à bas coûts. Le silicium est déposé à basse température sur un substrat en verre. De plus, il est possible de déposer ces cellules sur des substrats souples (figure I.8) et fabriquer des cellules souples. Son prix est plus faible que celui des cellules cristallines, il est d'environ 7% [9]. L utilisation de ce type de cellules nécessite l'utilisation d'une isolation galvanique entre les modules et le réseau. Sans cette isolation galvanique les cellules amorphes se dégradent très rapidement. La raison physique de ce phénomène reste encore obscure. Les cellules amorphes captent très bien le rayonnement diffus et sont donc moins sensibles aux variations de rayonnement direct. Par conséquence, ces cellules sont une très bonne alternative aux cellules cristallines sur des sites soumis à des ombrages sévères. D autres matériaux sont également utilisés dans les filières à couches minces comme le Tellurure de Cadmium (CdTe), le diséléniure de cuivre et d'indium (CIS) et de gallium (CIGS). Ces technologies possèdent de bons rendements, pouvant aller jusqu'à 19% [9]. Malgré les potentialités de ces trois technologies, les problèmes de toxicité sur l'environnement et l approvisionnement en matières premières qu'elles soulèvent les cloisonneront au laboratoire ou à des applications très spécifiques. Figure I.8 : Deux exemples de modules utilisant Sia (silicium amorphe). 11

16 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque V.2.1. Les cellules au Tellurure de Cadmium (CdTe) Le coût de fabrication d une cellule au tellurure de cadmium serait deux à trois fois moins important que celui d une structure cristalline (figure I.9), notamment grâce à l optimisation du procédé de fabrication, à la faible main-d œuvre requise et aux économies d échelle (baisse du coût à la suite de l augmentation de la productivité). Figure I.9 : Structure d une cellule photovoltaïque au CdTe. La couche d absorbant dopé p (en mauve) repose sous un autre semi-conducteur dopé n (CdS). Ces deux couches forment une hétérojonction [10]. Une cellule au CdTe se compose, de haut en bas [42] : d une vitre protectrice ; d une couche conductrice transparente, par exemple faite d oxyde d'indium-étain (ITO) ou d oxyde de zinc (ZnO). Elle récolte les charges négatives sur une épaisseur de 0,2 à 0,5 µm ; de sulfure de cadmium CdS dopé n (épaisseur de 0,06 à 0,2 µm) ; de tellurure de cadmium dopé p (épaisseurs de 2 à 8 µm) ; de la couche conductrice inférieure métallique. Elle est parfois fabriquée à partir d'une pâte de carbone enrichie en cuivre ; du substrat, dont la nature peut varier selon les propriétés désirées (souple ou rigide). Les cellules au CdTe sont produites de différentes manières. "First Solar" utilise par exemple la méthode VTD (vapor transport deposition), car elle permet de déposer de faibles épaisseurs de matériaux sur des substrats mobiles [10]. Concrètement, du tellure et du cadmium sont chauffés indépendamment dans des chambres, puis des gaz inertes vont 12

17 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque transporter les vapeurs générées. Elles sortent par des orifices situés à environ 1 cm des supports. La matière se dépose alors sur le substrat, qui est maintenu à une température inférieure à la température d évaporation. Un panneau solaire complet peut être produit en deux heures et demi, avec des pertes de matière première estimées à seulement 2 % [10]. VI. Le module photovoltaïque VI.1. Définition Un générateur photovoltaïque ou module est constitué d'un ensemble de cellules photovoltaïques élémentaires montées en série et /ou parallèle afin d'obtenir des caractéristiques électrique désirées tels que la puissance, le courant de court circuit et la tension en circuit ouvert [5]. VI.2. Caractéristiques d'un module photovoltaïque Les caractéristiques électriques d'un panneau photovoltaïque varient en fonction de la température, de l'éclairement et, de façon générale, des conditions de fonctionnement. Lorsqu'il est connecté à une charge donnée. Nous rappelons brièvement dans ce paragraphe le comportement du générateur soumis à déverses contraintes. Ces notions sont en effet nécessaires pour comprendre le comportement d'un générateur PV et ensuite effectuer des optimisations de fonctionnement (figure I.10). Figure I.10 : Les différentes zones de la caractéristique I(V) La caractéristique d'un générateur PV constitué de plusieurs cellules à une allure générale assimilable à celle élémentaire, sous réserve qu'il n'y ait pas de déséquilibre entre les caractéristiques de chaque cellule (irradiation et température uniforme). Nous pouvons décomposer la caractéristique I(V) d'un générateur photovoltaïque en 3 zones: 13

18 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque Une zone assimilable à un générateur de courant Icc proportionnel à l'irradiation, d'admittance interne pouvant être modélisée par 1/Rsh (zone 1). Une zone assimilable à un générateur de tension Vco d'impédance interne équivalente à la résistance série Rs (zone 2). Une zone où l'impédance interne du générateur varie très fortement de Rs à Rsh (zone 3). C est dans la zone 3 qu'est situé le point de fonctionnement pour lequel la puissance fournie par le générateur est maximale. ce point est appelé point de puissance optimale, caractérisé par le couple Imax, Vmax et seule une charge dont la caractéristique passe par ce point, permet d'extraire la puissance disponible dans les conditions considérées [7]. VI.3. La constitution d'un module photovoltaïque Câble des cellules photovoltaïques: les cellules sont connectées entre elles par un fin ruban métallique (cuivre étamé), du contact en face avant ( -) au contact en face arrière (+) (figure I.11). Figure I.11 : ruban métallique d'une cellule. Les cellules sont encapsulées sous vide entre deux films thermoplastiques transparents (EVA: Éthylène Acétate de Vinyle). Le plus souvent, il y a présence d'un cadre en aluminium avec joint périphérique pour permettre la dilatation. Un verre trempé en face avant protège les cellules sur le plan mécanique tout en laissant passer la lumière. La face arrière est constituée d'un verre ou d'une feuille TEDLER. 14

19 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque Figure I.12: Encapsulation des cellules [9]. La boite de connexion étanche regroupe les bornes de raccordement, les diodes by-pass. Les deux câbles unipolaires sont raccordés. En associant les cellules PV en série (somme des tensions de chaque cellule), ou en parallèle (somme des intensités de chaque cellule), on peut constituer un générateur selon les besoins des applications visées. Les deux types de regroupement sont en effet possibles et souvent utilisés afin d'obtenir en sortie des valeurs de tension et intensité souhaités. Ainsi, pour Ns cellules en série, constituant des branches elles même Np en parallèles, la puissance disponible en série du générateur PV est donnée par : Avec: P = N. V. N. I (I.11) Ppv: la puissance disponible en sortie du GPV. Vpv: la tension à la sortie du GPV. Ipv: le courant de sortie du GPV. VI.4. Regroupement des cellules VI.4.1. Regroupement des cellules en série Une association de (Ns) cellules en série permet d'augmenter la tension du générateur photovoltaïque (GPV) [6 ]. Les cellules sont alors traversées par le même courant et la caractéristique résultante de groupement série est obtenue par addition des tensions élémentaires de chaque cellule, un tel regroupement est représenté par la figure I.13. L équation (V I.2) résume les caractéristiques électriques d'une association série de (Ns) cellules [6]. V = N V ; I = I (I.12) VcoNs : la somme des tensions en circuit ouvert de Ns cellules en série. 15

20 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque IccNs : courant de court-circuit de Ns cellules en série. Ce système d'association est généralement le plus communément utilisé pour les modules photovoltaïques du commerce. Comme la surface de cellules devient de plus en plus importante, le courant produit par une seule cellule augmente régulièrement au fur et à mesure de l'évolution technologique alors que sa tension reste toujours très faible. L association série permet ainsi d'augmenter la tension de l'ensemble et donc d'accroître la puissance de l'ensemble. Figure I.13 : caractéristiques résultantes d'un groupement de (Ns) cellules en séries [6]. VI.4.2. Regroupement de cellules en parallèle Une association parallèle de (Np) cellules est possible et permet d'accroître le courant de sortie du générateur ainsi créée. Dans un groupement de cellules identiques connectées en parallèle, les cellules sont soumises à la même tension et la caractéristique résultante du groupement est obtenue par addition des courants. L équation (I.13) et la figure I.14 résument les caractéristiques électriques d'une association parallèle de (Np) cellules [6]. 16

21 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque Figure I.14 : caractéristiques d'un groupement de (Np) cellules en parallèle [6]. Avec : I = N I ; V V (I.13) IccNp : la somme des courants de court-circuit de (Np) cellules en parallèle. VcoNp : la tension du circuit ouvert de (Np) cellules en parallèle. VI.4.3. Regroupement des cellules (série et parallèle) La caractéristique (Ipv - Vp) d'un générateur solaire peut être considérée comme le fruit d'une association d'un réseau de (Ns*Np) cellules en série /parallèle. La caractéristique globale peut en outre, varier en fonction de l'éclairement, température, du vieillissement des cellules et les effets d'ombrage ou d'inhomogénéité de l'éclairement. De plus, il suffit d'une occultation ou d'une dégradation d'une des cellules mises en série pour provoquer une forte diminution du courant produit par le module photovoltaïque. Lorsque le courant débité est supérieur au courant produit par la cellule faiblement éclairée, la tension de celle-ci devient négative et devient un élément récepteur. Celle-ci se trouve à dissiper une quantité trop importante de puissance électrique qui pourrait aboutir à sa destruction si le défaut persiste trop longtemps. C est le phénomène du point chaud. Pour remédier à ce phénomène, on équipe donc les panneaux photovoltaïques des diodes by-pass qui ont pour rôle de protéger les cellules qui deviennent passives figure (I.15-a). Des mesures réalisées sur un module photovoltaïque commercial de (85W c) sur lequel on occulte volontairement (à différents niveaux d'ombrage) une des (36) cellules qui composent se générateur sont consignées en figure I

22 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque On observe bien la déformation de la courbe (Ipv-Vp) liée à un effet d'ombrage partiel du module PV. La diode by-pass lorsqu'elle se met à fonctionner, court-circuite alors une partie du panneau comme indiqué en figure ( I.15-b), évitant ainsi la circulation du courant inverse au sein des cellules défectueuses. Par contre, cette solution efficace réduit d'autant la puissance délivrée ainsi que la tension aux bornes du panneau. La dégradation d'une seule cellule condamne donc le groupe de cellules associées à la cellule défectueuse, elle est protégée par la diode (by -pass) à ne pas produire de puissance. Ce phénomène de perte parallèle de puissance est à comparer à la perte totale d'un panneau entier en cas de problème sur une cellule avec un panneau fonctionnant sans protection. Un tel regroupement des cellules (série et parallèle) avec diode de protection sont représentés par la figure qui suit [6]. Figure I.15 :(a) architecture classique d'un panneau solaire photovoltaïque avec diodes de protections. (b) défaillance d'une des cellules du module PV et activation de diode de circulation Ipv [6]. 18

23 Chapitre I : Étude de la cellule solaire à conversion photovoltaïque Figure I.16 : caractéristique (Ipv-Vp) d'un panneau photovoltaïque (BP585) et effet d'une des (36) cellules qui composent le module PV [6]. On s'aperçoit donc que la maîtrise de cette énergie photovoltaïque n'est pas aussi simple qu'il n'y parait. La production de courant dans un module photovoltaïque du commerce est donc limitée par la cellule la plus faible de l'ensemble. Généralement, lors de l'assemblage des cellules, il est nécessaire de les trier en fonction de leurs caractéristiques électriques afin d'obtenir une association homogène et ainsi éviter de limiter la puissance fournie par le panneau à cause d'une dispersion des cellules. De plus, le vieillissement des cellules peut produire une dispersion des caractéristiques. Les conditions météorologiques auxquelles les modules sont soumis (ensoleillement inhomogène, température, salissures, neige, pluie, dépôt de feuilles mortes..) fait de l'énergie photovoltaïque une ressource difficilement maitrisable [6]. VII. Conclusion Nous avons présenté dans ce présent chapitre les différentes notions qui entrent dans la constitution d un système de captage photovoltaïque. Aussi que les principes de fonctionnement de chaque élément. 19

24 Chapitre II État de l art sur les centrales photovoltaïques I. Introduction Dans ce chapitre, une étude descriptive générale des systèmes photovoltaïques est présentée. Cette étude comprend : la conception des systèmes photovoltaïques, leurs types, leurs problèmes produits, leurs compositions et les critères de choix d un système photovoltaïque. II. Les centrales solaires Les centrales solaires utilisent le rayonnement solaire pour produire de l'électricité. Une centrale solaire photovoltaïque est composée de plusieurs champs de panneaux solaires comportant un grand nombre de cellules photovoltaïques convertissant directement l'énergie lumineuse en électricité. L'inconvénient des centrales solaires est qu'elles ne peuvent pas produire d'électricité la nuit. Pour palier à ce problème, on a deux solutions : soit on stocke durant le jour une partie de la chaleur apportée par le fluide non vaporisable dans un accumulateur (cette chaleur sera libérée durant la nuit et exploitée pour produire de l'électricité) ; soit on utilise des carburants fossiles comme le gaz par exemple pour chauffer le liquide non vaporisable. Pour cela, on installe dans la centrale une chaudière à gaz qui prend le relais des miroirs la nuit et qui s'arrête au matin. III. Les composants d une centrale photovoltaïque L'ensemble de cellules photovoltaïques reliées entre elles, constitue le module photovoltaïque. Plusieurs modules sont groupés pour former un système (ou une centrale) photovoltaïque qui comprend d'autres composants comme le régulateur, l'onduleur et la batterie pour un site isolé (autonome). Afin de bien comprendre le fonctionnement d un système photovoltaïque, il est utile d en analyser les principaux composants (Figure II.1). Les informations présentées ne se veulent pas exhaustives mais doivent permettre de comprendre le rôle et l utilité de chacun des composants, ainsi que de leur emplacement respectif. 20

25 Chapitre II État de l art sur les centrales photovoltaïques Figure II.1 : Schéma général d une installation photovoltaïque III.1 Les panneaux solaires (capteurs) Le champ solaire se compose de modules photovoltaïques interconnectés en série et/ou en parallèle afin de produire la puissance requise (Figure II.2). Ces modules sont montés sur une armature métallique qui permet de supporter le champ solaire avec un angle d inclinaison spécifique. Figure II.2. Panneau solaire [13] Pour chaque champ on peut avoir autant de sorties que de modules, ce que fait qu on aura besoin de boite de dérivation qui regroupe le tous, comme l illustre la figure II.3, Alors cette boite de dérivation fixée sur une structure du montage a comme rôle d effectuer les connections entre les modules pour obtenir une puissance optimale en sortie. 21

26 Chapitre II État de l art sur les centrales photovoltaïques Figure II.3. Boite de dérivation [13]. La boite de dérivation est composée également d un circuit imprimé sur lequel se trouvent : - Des diodes Schottky série, placées sur un radiateur, sur chaque entrée, qui empêchent aux batteries de se décharger dans les panneaux. - Des fusibles de protections qui empêcheront aux batteries de se décharger dans les modules en cas de destruction des diodes antiparallèles. - Des diodes lumineuses, en parallèle sur chaque fusible de protection. Ces diodes permettant de contrôler individuellement chaque branche de modules. Par exemple une boite à 4 entrées de 24 Volts sera constituée de deux branches de deux modules, il y aura donc deux diodes qui permettront de constater le fonctionnement de chaque branche. - Une protection parafoudre (Transil ou VDR) en sortie de la boîte. Le câblage de ces boites permet d avoir une sortie en 12, 24 ou 48 volts selon les modules, elles sont équipées de deux à douze entrées, selon les tensions de sortie. La quantité d électricité dans l ensemble des composants des panneaux PV dépend : - des besoins en électricité; - la taille du panneau ; - L ensoleillement du lieu d utilisation ; - La saison d utilisation. La puissance délivrée par un panneau est importante dans les heures d ensoleillement maximales, ce qui nécessite un élément de stockage. 22

27 Chapitre II État de l art sur les centrales photovoltaïques Les types de panneaux [40] A. Panneaux photovoltaïques orientables Avec des panneaux orientables, on peut modifier l'inclinaison tous les mois, mais par facilité, on peut également choisir une inclinaison pour l'été, une autre pour l'hiver. On utilise généralement ce genre de structure pour des applications au sol ou sur des toits plats. Pour ces systèmes à inclinaison variable, il existe un angle d'inclinaison des panneaux par rapport à l'horizontale, qui permet de maximiser la production d'électricité mensuelle. B. Panneaux photovoltaïques fixes Les panneaux fixes sont installés dans une position fixe tout au long de l'année (azimut et inclinaison). Le rendement optimum est obtenu pour une orientation sud avec une inclinaison de 35. Dans cette position, un système d'une puissance d'1 kwc produit environ 900 kwh par an. Si on s'écarte de cette position, le rendement diminue. Cette diminution du rendement peut être calculée en multipliant le rendement obtenu en position optimale par le facteur de correction pour l'orientation et l'inclinaison choisie (ce qu on appelle le Facteur de transposition qui tient compte de l orientation et de l inclinaison FT). C. Panneaux photovoltaïques mobiles ou suiveur solaire L objectif du système de panneaux mobiles est de pouvoir suivre le soleil tout au long de la journée. Pour cela, la structure possède deux degrés de liberté : une rotation horizontale pour régler l azimut et une rotation verticale pour l'inclinaison. Ce système permet aux panneaux photovoltaïques de suivre continuellement la position du soleil pour assurer une production électrique maximum. Ce type de structure permet d augmenter la production d électricité par rapport aux panneaux fixes, d environ 25%. III.2 Système de stockage Dans une installation PV, le stockage correspond à la conservation de l énergie produite par le générateur PV, en attente pour une utilisation ultérieure. La gestion de l énergie solaire nécessite d envisager des stockages suivant les conductions météorologiques et qui vont répondre à deux fonctions principales [14] : -Fournir à l installation de l électricité lorsque le générateur PV n en produit pas (la nuit ou par mauvais temps par exemple) -Fournir à l installation des puissances plus importantes que celles fournies par le générateur PV. 23

28 Chapitre II État de l art sur les centrales photovoltaïques III.2.1 Les Caractéristiques principales d'une batterie 1. Capacité en Ampère heure : Les Ampères heure d'une batterie sont simplement le nombre d'ampères qu'elle fournit multiplié par le nombre d'heures pendant lesquelles circule ce courant. Théoriquement, par exemple, une batterie de 200 Ah peut fournir 200 A pendant une heure, ou 50 A pendant 4 heures, ou 4 A pendant 50 heures. Il existe des facteurs qui peuvent faire varier la capacité d'une batterie tels que : [14] a. Rapports de chargement et déchargement : Si la batterie est chargée ou déchargée à un rythme différent que celui spécifié, la capacité disponible peut augmenter ou diminuer. Généralement, si la batterie est déchargée à un rythme plus lent, sa capacité augmentera légèrement. Si le rythme est plus rapide, la capacité sera réduite. b. Température : Un autre facteur qui influence la capacité est la température de la batterie et celle de son atmosphère. Le comportement d'une batterie est spécifié à une température de 27 degrés. Des températures plus faibles réduisent leur capacité significativement. Des températures plus hautes produisent une légère augmentation de leur capacité, mais ceci peut augmenter la perte d'eau et diminuer la durée de vie de la batterie [14]. c. La charge : Pendant la charge, l accumulateur est un récepteur (environ 2,2 V) ; en fin de charge (point M), on note un accroissement rapide de la tension, les plaques complètement polarisées, la fin de charge est atteinte à 2,6 ou 2,7 V [28] (Figure II.4). d. La décharge : Durant une assez longue durée d utilisation, la tension reste remarquablement constante à la valeur de 2 V environ. A partir du point N, elle diminue brusquement à 1,8 V, il faut alors recharger l accumulateur [28] (figure II.4). Figure II.4 : Caractéristique charge et décharge d une batterie [22] 24

29 Chapitre II État de l art sur les centrales photovoltaïques e. Profondeur de décharge : La profondeur de décharge est le pourcentage de la capacité totale de la batterie qui est utilisée pendant un cycle de charge/décharge. Les batteries de "cycle peu profond" sont conçues pour des décharges de 10 à 25% de leur capacité totale dans chaque cycle. La majorité des batteries de "cycle profond" fabriquées pour les applications photovoltaïques sont conçues pour des décharges jusqu'à 80% de leur capacité, sans les endommager. Les fabricants de batteries de nickel-cadmium assurent qu'elles peuvent totalement être déchargées sans aucun dommage. Cependant, même les batteries de cycle profond sont affectées. Plus la décharge est grande plus la durée de vie de la batterie est réduite. f. La durée de vie : Un accumulateur peut être chargé puis déchargé complètement en un certain nombre de fois avant que ces caractéristiques ne se détériorent. Par ailleurs, quelque soit le mode d utilisation de l accumulateur, il y a une durée de vie totale exprimée en année ( ou en nombre de cycles) [15]. g. La tension d utilisation : C est la tension à laquelle l énergie stockée est restituée normalement à la charge. h. Le rendement : C est le rapport entre l énergie électrique restituée par l accumulateur et l énergie fournie à l accumulateur. i. Le taux d autodécharge : L autodécharge est la perte de capacité en laissant l accumulateur au repos (sans charge) pendant un temps donné. La plupart des batteries modernes sont à faible autodécharge, c est à dire qu elles perdent moins de 3% de capacité par mois à 20 C [3]. III.2.2 Types d accumulateurs Il existe plusieurs types de stockage dans le système PV, les puissances rencontrées sont inférieures au MW, le seul stockage d énergie électrique possible est le stockage électrochimique. Les deux principaux types d accumulateurs utilisés actuellement dans le système photovoltaïque sont [12] : 1. Les Accumulateurs au plomb-acide : La batterie au plomb acide est la forme de stockage de l énergie électrique la plus courante, en raison de son coût qui est relativement faible et d une large disponibilité. Par contre, les batteries nickel-cadmium sont plus chères, elles sont utilisées dans les applications où la fiabilité est vitale [16]. Composition d'une batterie solaire plomb-acide [17] : Ces batteries sont composées de plusieurs plaques de plomb dans une solution d'acide sulfurique. La plaque consiste en une grille d'alliage de Plomb avec une pâte d'oxyde de plomb marquetée sur la grille (Figure II.5). La solution acide sulfurique et l eau est appelée électrolyte. 25

30 Chapitre II État de l art sur les centrales photovoltaïques Figure II.5 : Construction d'une batterie monobloc [17] 1 : Grille. 7 : Élément complet 2 : Séparateur. 8 : Pont 3 : Plaque positive. 9 : Rampe de bouchons. 4 : Plaque négative. 10 : Borne. 5 : Barrette. 11 : Bac. 6 : Faisceau négatif. Le matériel de la grille est un alliage de plomb parce que le plomb pur est un matériel physiquement faible, et pourrait se casser pendant le transport et le service de la batterie [17]. Peut être l'alliage est en plomb avec 2-6% d'antimoine. Moins la contenance en Antimoine sera grande, moins résistante sera la batterie pendant le processus de charge. Une petite quantité d'antimoine réduit la production d hydrogène et d oxygène pendant la charge, et par conséquent la consommation d'eau. D'autre part, une plus grande proportion d'antimoine permet des décharges plus profondes sans endommager les plaques, ce qui implique une plus grande durée de vie des batteries. Ces batteries plomb-antimoine sont de type de "cycle profond". Le Cadmium et le Strontium sont utilisés à la place de l'antimoine pour fortifier la grille. Ceux-ci offrent les mêmes avantages et inconvénients que l'antimoine, mais réduisent en outre le pourcentage d'autodécharge quand la batterie n'est pas en utilisation. Le Calcium fortifie aussi la grille et réduit l'autodécharge. Toutefois, le Calcium réduit la profondeur de décharge recommandée dans non plus de 25%. D'autre part, les batteries de plomb- calcium sont de type "cycle peu profond". Les plaques sont alternées dans la batterie, avec des séparateurs entre elles, qui sont fabriqués d'un matériel poreux qui permet le flux de l'électrolyte. Ils sont électriquement non conducteurs, ils peuvent être des mélanges de silice et de matières plastiques ou gommes. Les séparateurs peuvent être des feuilles individuelles 26